基于单片机实现的液位控制器设计

基于单片机实现的液位控制器设计

姓名：陈红钊学号：0901*******

摘要

本文介绍一种基于单片机实现的液位控制器的设计方法，该控制器以单片机为核心，设计出了PID控制系统，并通过外围硬件电路来达到实现控制的目的。可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。

关键词：传感器；A／D转换；PID控制器；外围硬件电路

一．引言

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。

工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一,许多控制系统的模型与此类似。以往在该领域比较成熟的控制算法是PID算法。由于过程控制系统执行机构的复杂性、变量间的关联性和非线性等原因,找到一组适合整个系统大范围控制的合适的PID 参数相当困难,这对要求控制范围宽、响应快且连续可调系统就显得力不从心了。另外液位控制对象一般具有纯滞后、大惯性,因此液位变化缓慢,系统一般呈非线性[2]。用常规PID控制器来控制时,其效果不理想,系统响应的调节时间较长。模糊控制与PID控制相结合则显示了巨大的优越性。模糊PID控制器既具有模糊控制灵活且适应性强的优点,又具有常规PID 控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛应用。

二. 系统设计方案比较说明

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1) 简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

(2) 复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信

号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由D ／A变换给调压／变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

三．水箱液位系统建模

图1为过程控制实验室的液位过程控制系统的原理图。A为液罐的截面面积, h为液位高度, h0为实际液位高度, Qo为系统输出流量, Qi为系统输入流量。利用水泵将储水槽中的水输出,通过电动调节阀调节进水流量,采用闭环串级控制上、下水箱的液位,使水箱液位保持恒定,液位变送器对上、下水箱液位进行实时测量。

图3.1 水箱液位控制图

根据质量守恒定律:

假定阀的开度为x(t)当阀全开时,单位时间流过阀的液量为则

根据流体学有

式(3)中m是罐装阀的结构决定的系数,对于固定阀m值不变,将式(2)、(3)代入式(1)中有

用泰勒公式线性式(3)化为

经过拉氏变换得到系统的传递函数为

在工程应用中

1

2

1

H

A

因此系统的控制模型为

考虑到调节阀与实际水箱的入口有一段距离,滞后时间t=l/v,故数学模型写为

这样就将该系统的过程数学模型的结构确定了,是含纯滞后的一阶惯性环节,也是控制系统中比较典型的结构。

四. 系统硬件和软件的实现

4.1 PID控制

4.1.1 PID控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图4.1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

图4.1 模拟PID控制系统原理框图

PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差：

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。其控制规律为

或写成传递函数形式

式中p k ——比例系数；i T ——积分时间常数；d T ——微分时间常数；

简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：

1．比例环节

即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例控制系数。比例控制的缺点是对于具有自平衡性的被控对象存在静差。如果将系数调整过大来减少静差会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。

2．积分环节

积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越大，积分作用越弱，反之则越强。

3．微分环节

能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。对误差进行微分，并能在偏差比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

应用PID 控制，必须适当地调整比例放大系数p k ，积分时间i T 和微分时间d T ，使整个控制系统得到良好的性能。